以感測器融合(sensor fusion)實現的障礙物偵測技術,是目前正在開發的自動駕駛車輛之核心,汽車產業在該技術方面的進展迅速,但是否有可能將同樣的感測器融合技術整合到可穿戴式裝置,讓視障者受惠?

目前有一群研究人員接受了這個挑戰,這是歐洲一項簡稱INSPEX之「整合式智慧空間探索系統(Integrated Smart Spatial Exploration System)」研發計畫的一部分;根據法國研究機構CEA Tech旗下的科技研究所Leti表示,研究團隊試圖開發可攜、可穿戴的多感測器低功耗空間探索暨障礙物偵測系統,目標是催生一枝嵌入INSPEX系統的導盲杖,配備能提供回饋障礙物位置的3D空間音訊回饋周邊裝置。

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(圖片來源:Leti)

要實現目標,研究團隊必須開發超越目前自動駕駛車輛水準好幾步的技術;首先這個任務的需求包括設計能適應各種天氣與能見度的障礙物偵測系統,也就是能在煙霧、塵埃、霧霾、暴雨/雪以及黑暗中都能運作、對自動駕駛車輛來說並非易事的偵測技術。

第二,該團隊需要大幅降低該可攜式系統的重量與功耗;第三,或許也是最重要的,則是可靠度。Leti表示,INSPEX系統的潛在應用包括無人機與智慧製造(組裝設備、保全設備),以及導引視障者:「它會被使用於適合所有環境的即時性3D偵測,隊障礙物的位置發出警報──包括室內與室外所有未知的固定與移動障礙物。」

INSPEX系統採用各種感測器技術,包括光達(LiDAR)、超寬頻(UWB)雷達以及MEMS超音波;該計畫協調人、Leti研究總監Suzanne Lesecq對EE Times表示,該計畫是由Horizon 2020 (歐盟最大的研究與創新計劃)所贊助,在1月1日正式啟動,期望能在36個月(2019年)能有圓滿結局。

Lesecq承諾,研究團隊將在2017年12月:「先有第一次的概念驗證...驗證我們的方案;而預期中的要素是:「在低功耗微控制器上融合數種距離感測技術,建立使用者周遭環境的地圖。」她提及一種Leti開發的「Σ融合(sigma fusion)」技術。

適合所有氣象條件

該偵測系統需要能適用所有氣象條件,Lesecq表示:「這確實是非常大的挑戰,這也是我們為什麼打算採用多樣化的距離感測技術,包括合作夥伴們提供的晶片上光達、MEMS超音波以及UWB射頻雷達。」

她指出:「我們的目標是讓INSPEX系統能在不同的氣象條件(包括雨、雪與沙塵暴)、寬廣的溫度範圍(通常是-20°C~40°C)、還有低能見度(夜間、霧霾等)下運作;環境感測模組將有助於根據不同的環境狀態來重新配置系統。」

而考量到INSPEX系統是需要安裝在導盲杖中,其目標功耗是?對此Lesecq表示:「我們將該行動式偵測裝置的目標功耗訂在500mW;」她坦承這會是非常大的挑戰,因為計畫合作夥伴所提供的距離感測器實際功耗:「問題實際上也不真的在於功耗本身,而是電池的尺寸,我們會需要確保該系統能一整天順利運作不需要充電。」Lesecq並指出,要打造一款真正好用的行動裝置,其重量比須要儘可能減輕,最好低於200公克(gram)。

預期將會進駐INSPEX系統的各種距離感測技術中包括了UWB雷達,它與一般的雷達系統有什麼不同?Lesecq解釋:「雷達技術是以所使用的載波訊號波形(carrier signal waveform)來定義,以及其訊號之頻譜佔用。」

典型的調頻連續波(frequency modulated continuous wave,FMCW)雷達,波形是連續的調頻──即線性調頻(chirp),UWB雷達的波形則是短脈衝,並因此會有佔用較大頻譜:「UWB意味著訊號是在3~10GHz頻段,訊號頻寬是脈衝載波頻率的至少20%。」

系統配置

Lesecq指出,該系統的第一個原型將會是為視障者量身打造,這種導盲杖預計能在2018年12月問世:「配備整合於原型中的所有測距技術。」

除了導盲杖之外,要讓整個系統能為使用者順利運作,還需要其他哪些周邊裝置?更重要的是,其中會用到那些技術?Lesecq解釋,障礙物的位置會是透過一種配備擴增實境3D音訊介面的外掛式耳機來提供:「這種耳機將與智慧型手機連結,而手機則是透過藍牙低功耗技術與行動式偵測裝置通訊;」如下圖所顯示分成三種裝置的整體解決方案。

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(圖片來源:Leti)

第一,行動偵測裝置會整合研發計畫夥伴提供的數種距離感測技術(如前面提到的晶片上光達、MEMS超音波以及UWB雷達),這需要在計畫期間進行最佳化,以符合功耗預算;這些距離感測技術的選擇,取決於該行動式偵測裝置在不同環境(溫溼度、亮度與能見度)與特殊情況(路面坑洞、階梯)下偵測眾多不同障礙物之性能。

其他兩種裝置則包括智慧型手機以及耳機;具體來說,針對這種應用,將以耳外式耳機整合擴增實境音訊介面(Augmented Reality Audio Interface)以提供空間3D聲音回饋;這種回饋會把由耳機中內建的姿勢與航向參考系統(AHRS)追蹤的頭部姿勢納入考量。

情境感知(Context-aware)通訊則將把使用者與智慧環境整合,例如智慧交通號誌、導航信標以及與物聯網(IoT)裝置相關聯的ID標籤;Lesecq還指出,使用者的行動偵測裝置也能整合地圖繪製(mapping)應用程式。

參與INSPEX系統研發專案成員除了Leti還包括歐洲的多所大學與研究機構;Lesecq表示最終原型將在2019年9月完成,提供給視障者在實際生活情況中進行評估。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Object-Detection Becomes Wearable,by Junko Yoshida)